JPH01313736A - 物質の屈折率を測定する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野： 本発明は物質の屈折率ｎを測定する方法およびこの方法
を実施する装置に関する。

従来の技術： 物質の屈折率ｎを測定する光学器械は屈折計Ω名称で古
くから公知・である。この古典的光学装置の場合、屈折
率の測定はとくに屈折率既知の測定プリズムを使用して
全反射の臨界角を測定することによって行われる。

屈折率測定を干渉計法で行ういわゆる干渉屈折計も公知
である。測定値の検出は公知装置の場合肉眼で、または
高価な電子装置を介しても行われる。

これらのすべての公知装置は高価な個々の光学要素から
なり、大きい場所を必要とする。光学およびファインメ
カニック成分を製造する際の所要最高精度ならびに自動
装置内の電子的評価装置は高い装置価格を前提とする。

その結果業界には非常に小さい取扱いが簡単で安価な装
置に対する要望が発生した。

光学器械を微小化する興味ある有望な方法をＳｔｗａｒ
ｔ　Ｅ、　Ｍｉｌｌｅｒがすでに１９６９年に開示して
いる（　Ｔｈｅ　Ｂｅ１ｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎ
ｉｃａｌ　ＪｏｕｒｎａｌＶｏｌ、４８．１９６９年４
７　、２０５９／２０６９ページ参照）。しかし集積−
光素子の構成および使用に対してなされたその提案は技
術的理由から実現されなかった。

最近数年の材料分野の強力な技術的開発およびマスク技
術によって集積−光素子の実現に著しい進歩を達成する
ことができた。イオン拡散、イオン注入または有機もし
くは金属−有機層の被覆によって適当な形成の導波路を
集積しうるガラス、結晶物質または透明プラスチックか
らなる適当な基板材料が開発された。

続いて伝送系で変調、スイッチングおよびチャネル間の
結合、分岐等のような目的を引受ける集積−光素子が開
発された。センサとして集積−光素子を使用する物理的
値の測定装置も公知になった。

たとえば雑誌”　５ＣＨＯＴＴ　−Ｉｎｆｏｒｍａｔｉ
ｏｎ″腐３／１９８７．２９ページの第６図には集積−
光一水素センサが示される。東独特許第２４９　７７２
号明細書には干渉計構造として形成された集積−光一温
度センサが記載され、その際２つの干渉計アームを通る
光線の間の位相差の温度に依存する変化が温度測定に使
用される。

発明が解決しようとする課題： 本発明の課題はとくに簡単に高精度の結果が得られ、そ
の実施に小さい安価な取扱いの簡単な装置しか必要とし
ない、物質の屈折率ｎを測定する方法を得ることである
。

課題を解決するための手段： この課題は本発明により請求項１の特徴部′に記載の手
段を有する方法によって解決される。

作用： この方法はこの場合導波路を通る波は測定区間内すなわ
ち導波路が測定する物質と光学的に接触している区間内
で一部この物質内も通り１、それによって伝搬速度した
がって導波路内の有効屈折率も変化するとの認識から出
発する。

有効屈折率のこの変化によシ導波路を通る光の位相変化
が生じ、これは請求項２によれば影響されなかった光の
部分の位相に対する差として測定される。この測定はと
くに干渉計により行われる。

導波路内の有効屈折率の変化により測定区間を通る偏光
の偏光方向も測定物質の屈折率に応する変化を生ずる。

測定のためたとえば偏光方向の変化を再び元に戻す信号
を使用することができる。

請求項５〜１２には請求項１〜４の方法を実施する装置
が記載される。

実施例： 次に本発明を図面によシ説明する。

図面の実施例では基板として５ＣＨＯ’ＩＴ社がＢＧＧ
　２１の名称で製造しているガラスを使用し、その性質
は前記文献すなわち雑誌”５ＣＨＯＴ’ｒ　−Ｉｎｆｏ
　ｒｍａｔ　ｉｏｎ”３／１９８７の２７ページに記載
される。この基板ヘス）　ＩＪツブ状の導波路が集積さ
れる。その製造のため基板に公知プレーナー技術によシ
導波路の範囲だけ空所にしたマスクを製造する。このよ
うに前処理した基板を数時間にわたって約４１０℃のＣ
ｓＮＯ３／　ＣｓＣ４からなる高温の塩溶液へ導入する
。その際熱的イオン交換が行われ１．Ｃ８＋イオンが基
板へ入り、Ｋ＋イオンが基板から外へ移動する。このよ
うにして屈折率ｎｓを有する基板に表面に対し垂直に測
った屈折率プロフィルがたとえば第２図に示す形を有す
る導波路が製造される。この曲線から屈折率は表面でｎ
ｓ＋Δ。の値を有し、この値は拡散深さによって与えら
れる導波路の反対側界面で再びｎｓの値まで減少するこ
とが明らかである。導波路内の波長λＯの光のモードに
対してこの導波路は光波に対応する一定の屈折率ｎｅｆ
ｆを有する。この値はｎ　　＜　ｎｅｆｆ　＜　ｎｓ＋
Δ。を充足する。

イオン交換は単一モード導波路が発生するように行われ
る。このような導波路は波長帯域４００”＝１６００ｎ
ｍで０．１ｄＢ／ｃＩｒＬよシ小さい基礎減衰を有する
；このような導波路の拡散深さは約１．５〜１１０１ｔ
の範囲にある。

第１図の実施例で１は集積−光素子を表わし、その構造
および作用は第３図に関連して詳説する。光入射側で素
子１へ単一モード光ファイバ３が接着され、これが単色
光源４から出る光を素子１へ導く。光源として図示の実
施例では波長λ０　□−６６３ｎｍが動作するレーザー
が使用される。

集積−光素子１へ測定する物質が流れる貫流キュベツト
２が支持される。この物質は以下に示すように素子１の
導波路と一部光学的に接触し、その際ファイバ３を介し
て入射結合した光の位相変化に作用する。集積−光素子
１の光射出側にもう１つの単一モード光ファイバ１１が
接着され、これが測定物質によって影響を受けた光を検
知器１２に導く。もつとも簡単な場合測定物質１０によ
って生じた光の位相変化は測定物質１０が素子１の導波
路と光学的に接触させられるとただちに始まる強度変化
の測定によって求められる。

第１図の例で検知器１２はたとえば信号の中の干渉最大
をカウントするカウントロジック１３に接続する。要素
１４に蓄積した較正曲線との比較によってカウントロジ
ック１３によって検出した光の位相変・化は屈折率のｎ
値に換算され、デイスプレィ１５に表示される。

第６図は第１図に１で示す集積−光素子の斜゛視図であ
る。接着した単一モード光ファイバ３を介して光源４か
ら光が送られる導波路が基板５と集積される。この光の
波長は使用した光ファイバと導波路が単一モード−であ
るように選択される。

基板５と集積した導波路はマツハーツエンダー干渉計構
造の形を有する。この干渉計は２つのアーム６および７
に分岐し、光射出側で再び合流する。基板５へ屈折率が
基板５のそれ以下である材料からなるカバー層９が被覆
される。

この層はたとえばｎ＝１．４２のポリフッ化ビニリデン
からなる。カバー層９は導波路のアーム６を長さＬの範
囲にわたって被覆しない。測定する物質１０たとえば液
体は貫流キュベツト２により層９の上にもたらされ、そ
の際測定アーム６内で範囲１６にわたって導波路と光学
的に接触する。ファイバ３を介して送られた光波は一部
測定する物質１０内も通る。それによってアーム６内の
光の伝搬速度したがってこの光の位相も影響される。参
照アームＴを通る光の位相は層の屈折率が基板５の屈折
率以下なので、はとんど影響がない。アーム６および７
を介して導かれる２つの部分光は光射出側８で合流した
後、干渉する。

測定アーム６と測定物質１０の光学的接触により導波路
の有効屈折率ｎｅｆｆは範囲りにわたって変化する。測
定する媒体の屈折率ｎＭと導波路の有効屈折率の間の関
係は第４図に互いに垂直に偏光したＴＭモードおよびＴ
Ｅモードに対して示される。この図で縦軸は（ｎｅｆｆ
　−ｎ、）・１０４の値を示す。第４図の曲線は計算ま
たは測定によって決定することができる。曲線は検量ま
たは較正曲線として要素１４に蓄積される。

第４図の曲線から光導波路の有効屈折率ｎｅｆｆと測定
物質の屈折率ｎＭＯ間に一義的関係があることが認めら
れる。図示の例で良好に利用しうるｎＭ値の測定範囲は
約１．２〜１．４６である。

測定アーム６の領域内の有効屈折率ｎｅｆｆの変化によ
りこのアームを通る光源の接触長さＬに比例する位相の
ずれが生ずる。測定アーム６内の光源の位相を参照アー
ム７内の位相と比較すれば得られた位相差Δψは式： により求める屈折率ｎＭの尺度である。ここにΔｎｅｆ
ｆは集積−光素子の両方のアーム６および７の有効屈折
率の差である。

位相差Δψによシ第１および６図の実施例ではアーム６
および７を通る光波の干渉が生ずる。

干渉信号は光ファイバ１１を介して検知器１２に送られ
、エレクトロニックユニット１３および１４を介して一
信号に変換され、デイスプレィ１５に表示される。

第３図の実施例で接触範囲の長さは１ａである。集積−
光素子１の２つのアーム６および７０間の横方向距離は
１１１１ｍのけたである。これは局部的温度効果が求め
られ、横方向感度が無視しうるほど小さいので有利であ
る。

糖工業で砂糖濃度の測定に使用される。石油化学にはこ
の屈折率センサが防爆の問題を生じないのでとくに有利
に使用される。

実施例に関連して基板材料としてガラスが記載された。

しかし使用範囲に応じて結晶物質た。

とえばＬｉＮｋ）０３　、　ＬｉＴａＯ３、ＧａＡ３　
、　ＩｎＰおよび（または）これらの混合化合物のよう
な他の基板材料も考えられる。透明プラスチックも基板
材料として使用できる。すべての基板材料は作業波長で
減衰が小さい導波路構造の公知法による製造が可能でな
ければならない。適当な基板材料の選択は他の観点とと
もに屈折率ｎ８がセンサのそれぞれの屈折率測定範囲よ
シ少ししか高くないという要求も考慮して行われる。

有機化学では測定する物質の屈折率−は約１．２〜１．
５である。この測定範囲に対しても前記例により適当な
基板材料を求めることができる。

測定法および測定装置は使用材料とは無関係に不変化に
留まる。

第１および６図の実施例では集積−光素子１は干渉計の
形に形成される。位相差Δψの測定を可能にする他の実
施態様も考えられる。

他の原理で動作するもう１つの実施例が第５図に示され
る。この場合光源の偏光方向の変化が測定に利用される
。単色光源２０から発する光は偏光子２１を通過し、光
ファイバ２２を介して集積−光素子２３へ送られる。こ
の素子は光入射側に平行する２つの直線アームに分岐し
た光導波路を含む。このアームの１つは第６図の場合と
同様測定物質１０が長さＬにわたって光導波路と直接光
学的に接触するように形成される。この場合光源の偏光
面は回転される。このアームを通る光は光ファイバ２４
によって検光子２５を介して検知器２６に送られる。素
子２３の他のアーム内で影響を受けなかった光は光ファ
イバ２Ｔを介して同様検知器２６に達する。この検知器
は偏光面の回転を測定し、要素２８を介して偏光面の回
転が正確に打消されるまで検光子２５を回転する信号を
発する。この信号はデイスプレィ２９に表示される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置のブロック図、第２図は熱的イオ
ン交換によって製造した導波路断面の屈折率変化を示す
図、第６図は第１図にセンサとして使用した集積−光素
子の斜視図、第４図は第１図装置により物質の屈折率を
求める際使用する較正曲線、第５図は偏光方向の変化を
測定して屈折率を測定する装置のブロック図である。 １．２３・・・集積−光素子、２・・・貫流キュベツト
、３，１１，２２．２４・・・光ファイバ、４゜２０・
・・光源、５・・・基板、６，７・・・アーム、９・・
・カバー層、１０・・・測定物質、１２・・・検知器、
１５・・・デイスプレィ、１６・・・接触区間↓１−１
０ Ｆｉｇ、２ ５・基板 ６・　７°光導波路　　　　　　Ｆｉｇ、　３１６　接
触区間　　　　　　　□

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単色光を基板へ集積した単一モード光導波路に送り
   、この導波路を所定長さの測定区間にわたつて測定物質
   と光学的に接触させ、導波路の測定区間の有効屈折率の
   変化を介して屈折率ｎを求めることを特徴とする物質の
   屈折率ｎを測定する方法。 ２、測定区間内で影響を受けた光と影響されなかつた光
   の間の位相差を測定に利用する請求項１記載の方法。 ３、測定を干渉計により実施する請求項２記載の方法。 ４、光源からくる偏光が測定区間内で受ける偏光方向の
   変化を測定に利用する請求項１記載の方法。 ５、請求項１記載の方法を実施する装置において、単色
   光光源（４）、所定長さＬの区間（１６）にわたつて測
   定物質（１０）と光学的に接触している、基板（５）へ
   集積した単一モード光導波路（６、７）および光源（４
   ）から導波路（６、７）を通つて出る光を測定物質の屈
   折率ｎ＿Ｍに比例する信号に変換する検知装置（１２〜
   １５）を有することを特徴とする物質の屈折率ｎを測定
   する装置。